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새로운 도전, 생체음향의학의 세계 ②
  • 박경규 의공학 박사
  • 승인 2020.03.26 11:47
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[엠디저널] 모든 물체는 고유의 주파수를 지닌다. 그래서 질병은 반드시 치료법이 존재한다. 다만, 시간이 소요될 뿐, 30~700nm의 바이러스(Virus)도 예외일 순 없어… 소리는 존재하나 인간이 들을 수 없는 초음파, 진단을 뛰어넘어 암 바이러스 치료 단계로 우뚝 서,

귀는 신비의 기관으로 첨단첩보가관이다. 우리 몸의 평행을 유지해주기도 하지만, 소리 속에 숨은 의학을 생체에 전달해 건강을 유지시켜준다.

귀(Ear)는 모든 정보를 수집하는 첩보기관이다. 우리는 수십만의 첩보요원을 거느린다. 귀는 외이(外耳), 중이, 내이의 세 부분으로 이루어져 공기와 중이 사이에서 소리의 에너지를 점차 좁아지는 귓속으로 모으는 음파의 임피던스 매칭(impedance matching)역할을 한다. 더 많은 정보를 듣고 싶을 때, 사람들은 손을 귓바퀴에 대고 귓바퀴의 크기를 키워 소리를 모아 듣는다.

일단 소리가 귓속으로 들어오면 고막을 향해 다가간다. 음파가 고막에 충돌하면 음파의 진동수와 같은 진동수로 고막이 앞뒤로 진동한다. 중이(中耳)에는 고막과 사람의 몸에서 가장 작은 세 개의 뼈인 추골, 침골, 등골 그리고 내이(內耳) 앞쪽에 있는 난원창을 노크한다. 고막은 난원창보다 17배나 크다. 세 개의 뼈는 고막과 난원창을 연결 지레처럼 작용하여 압력을 더욱 증가시켜 난원창에 전달하고, 지레의 역학적 능률은 진동수에 따라 달라지는데 1~2kHz에서 최대가 된다. 따라서 매우 복잡한 구조를 지닌 중이는 고막에서 느끼는 공기의 진동을 100배 이상 증폭하여 내이에 전달해주는 역할을 하고 고막과 세 개의 뼈에 연결된 근육은 매우 큰 소리에 반응하여 귀의 민감도를 떨어뜨림으로써 손상을 막기도 한다.

내이에는 나선 모양의 관으로 종파인 음파를 전기 신호로 바꾸는 역할을 하는 달팽이관이 들어 있고, 내이에는 몸의 운동 감각과 균형 감각을 담당하는 반고리관도 들어 있어 균형을 잃으면 멀미를 일으키기도 한다. 달팽이관 안에 있는 세 개의 관 중 하나에 들어온 이 파동이 섬모라고 부르는 수십만의 세포를 앞뒤로 기울게 하며 복잡한 신경 화학 물질의 흐름으로 이어져 이로 인해 청신경을 통해 뇌로 전달되는 전기 신호가 만들어져 뇌는 미세한 신호를 분석하여 소리를 인식한다.

<식품의약품안전평가원의 HIFU평가기준인 써미스터를 이용한 온도 측정 회로> HIFU는 단시간에 초음파를 방사하여 암세포를 제거하는 기술이므로 온도 측정 센서는 단시간에 60∼100 ℃의 온도를 측정할 수 있어야 한다.

귀의 내부를 들여다보면 신비(神祕)의 세계! 

우리는 모든 소리를 다 들을 수는 없다. 소리는 분명히 존재하나 아주 낮거나 아주 높은 소리는 생체에 불필요한 정보이므로 차단시킨다. 20~2만 헤르츠 내의 소리 정보는 절대 필요하므로 들을 수 있도록 해 가청주파수라 한다. 다행히도 그렇게 듣지 못하는 소리를 이용하여 질병을 진단하고 치료하는 데 이용된다. 음향학(音響學)은 이런 소리가 지닌 가청의 주파수는 물론 듣지 못하는 초음파(Ultra sound)와 초저주파(Infra sound) 음파로 분류되는 기체, 액체, 고체 내 모든 물리적 파동을 연구하는, 다양한 분야에 걸쳐 관련 있는 과학(Science)이다.

음향학 분야에서 음향 물리학, 음향학 응용을 가리켜 음향공학, 의료분야는 생체음향공학이라고 한다. 음향 물리학자와 음향공학자 및 생체음향공학자들의 관심사 사이에 꽤 많은 공통점이나 상호 작용들이 존재한다. 듣는 것은 동물들의 세계에서 살아남기 위한 가장 중요한 방법 중의 하나이기 때문이기도 하고, 또한 음향학이 우리 사회의 많은 부분, 음악, 의학, 농업, 산업, 복지 등 영향을 끼치는 것이 전혀 놀랄 일이 아니다. 예술, 공예, 과학, 그리고 기술이, 수많은 다른 지식 분야처럼, 서로 다른 분야를 자극하여 전체의 발전을 이끌어 왔다.

18세기 이탈리아의 생물학자 스팔란자니(L. Spallanzani)는 실험을 통해서 박쥐가 어둠 속에서 눈을 가리고도 잘 날아다니지만, 귀를 가리면 장애물에 부딪친다는 것을 관찰에 이어 1842년 오스트리아 물리학자 도플러(C.Doppler)는 관측자 혹은 음원소스가 이동할 때 관측자에게 관찰되는 음원소스의 진동수가 변하는 도플러 효과(Doppler effect)를 관측함으로써 초음파 연구는 거듭 발전하여 의료용 초음파 검사에 활용되었고, 이어 끊임없는 연구결과로 고주파 초음파 장비와 초음파가 생물에 미치는 영향을 실험을 통해 조사했으며, 의료용 초음파에 관한 연구가 활발히 이루어져, 인체 내에서 담석발견, 심장질환 진단, 근골격계, 소화기계, 심혈관계, 비뇨생식기계 등 인체 조직 및 기관에서 질병을 진단과 환부에 조영제를 주입하여 일반 초음파로는 보이지 않는 부분까지도 볼 수 있는 초음파 조영술까지 눈부신 발전에 접어들어 이제 그 영역이 점점 확대되어 첨단 치료용으로 발전을 거듭하고 있다.

대부분 초음파 기기는 신체에 열을 가하여 효과를 내기 때문에 진단 초음파보다 높은 에너지를 사용하며, 주로 연부 조직 손상의 회복, 종양 등 조직을 파괴하는 목적으로 물리 치료, 암 치료 등에서 초음파가 활용되고 있다. ‘고강도 집속형 초음파’는 신의료기술 장비로 초음파를 인체 내 목표한 종양에 모아 그때 발생하는 열로 종양을 태우는 비침습적 치료방법으로 최근 그 영역이 확대되고 있다. 미국 FDA의 기계적 안정성의 승인을 받은 하이푸는 고출력 초음파를 한 점에 접속시켜 종양 조직을 순식간에 섭씨 60~80도 이상 상승시켜 종양을 응고, 괴사시키는 방법으로 자궁선근증과 전립선암, 간암, 방광암 등을 치료하며 종양 위치와 크기에 따라 2차원 평면 시술, 입체적 3차원 치료가 가능하도록 설계 3mm 초점 크기로 정밀히 치료한다.

암 치료 이외에도 피부 표피에는 영향을 주지 않으면서 피 부속 깊숙한 곳에 열 응고점을 만들어 주름 개선 및 지방을 제거해주는 효과가 탁월하여 피부나 성형외과에서 기본 장비로 자리 잡아가는 추세다. 암튼, 초음파 융합기술의 발달로 다양한 의료기기가 진단 및 치료에 사용되어지고 있어 고강도집속형 초음파(HIFU)는 초음파에너지가 발생시키는 열을 이용하여 종양까지 치료하는 기기로서 치료 후 회복이 빠르며 부작용을 최소화 할 수 있어 새로운 치료법으로 각광을 받고 있으나 인체 내에 직접적으로 열이 가해지는 특성으로 안전성 확보에 대한 필요성 인식이 증가하고 있어 식약처는 가이드라인을 제시했다.

지난 1.29 미국 국립과학재단(NSF)은 하와이에 새롭게 설치한 ‘대니얼 K 이노우에’ 태양망원경(DKIST)을 통해 촬영한 태양표면 사진이다. 안의 밝은 면은 태양을 뒤덮고 있는 플라스마(이온화 기체)가 치솟은 부분이다. 어두운 면은 플라스마의 열이 식으면서 검게 변한 부분이다. [사진 제공/미국 국립과학재단]

지금 세계는 바이러스(Virus)로 곤욕을 치르고 있다. 인간은 세균과 바이러스로부터 자유롭지 못하다. 세균(Bacteria)은 생물이지만 바이러스는 무생물에 가깝다. 생물은 스스로 자손을 만들어 낼 수 있지만, 바이러스는 스스로 증식할 수 없다. 다만, 세균과 마찬가지로 스스로 양분을 먹고 소화하고 에너지를 만드는 능력과 외부 반응에 적응하며 진화한다. 생물과 무생물의 중간에 위치한 바이러스는 다른 생물의 세포 속에 들어가서 세포가 가지고 있는 재료를 자기 것처럼 써 버리는 못된 녀석이다. 숟가락만 달랑 들고 남의 집에 들어가서 천연덕스럽게 밥상에 앉아 밥을 먹으며 동거하는 것까지는 좋으나 감사하기는커녕, 숙주를 잡아먹는 악종 중의 악종이다.

이놈의 바이러스는 우리 몸 안에 슬쩍 들어와 좋아하는 곳에 자리 잡고, 피부 세포나 폐 세포에 기생한다. 세포에 달라붙으면 그 세포 속으로 자신들의 유전물질을 집어넣어 세포를 이용해서 바이러스를 복제한다. 세균은 병을 일으키기도 하지만, 인간에게 도움을 주는 게 더 많지만, 바이러스는 이로운 것보다 해로운 것이 더 많다. 바이러스는 세균의 1000분의 1 정도 크기로 너무 작아서 전자현미경이 발명되기까지는 그 실체를 눈으로 확인할 수가 없다. 이 바이러스는 1890년대 러시아의 미생물학자 이바노프스키(D.Ivanovsky)가 담뱃잎에 발생하는 병을 연구하다가 세균보다 더 작은 미생물의 존재를 알게 되었고, 몇 년 후 이 실험을 다시 시도했던 네덜란드의 과학자 베이에링크(M.W.Beijerinck)가 ‘바이러스(Virus)’라는 이름으로 명명했다.

아무리 변종이라고는 하나, 한 가지 중요한 사실, 바이러스는 절대 스스로 살아갈 수 없고. 반드시 숙주에 기생해야만 살아갈 수 있으며, 최대의 약점은 열에 약하다는 것, 섭씨 60도 이상에서는 견디지 못한다. 그래서 초음파를 강력한 열을 활용하면 일격에 괴멸시킬 수 있을 것이다. 그뿐만 아니라, 이놈의 바이러스의 씨를 말려버릴 또 하나의 정밀타격법이 존재한다. 플라스마(Plasma)의 강력한 에너지로 소멸될 그 날을 기대해 본다.

박경규 의공학 박사  emd@mdjournal.net

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